Đề tài Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetylen công suất 70.000 tấn/năm

tỉng s¶n l­ỵng axetylen trªn toµn thÕ giíi ®­ỵc s¶n xuÊt theo c«ng nghƯ nµy vµo kho¶ng 400000tÊn/n¨m. HÇu hÕt sư dơng ph­¬ng ph¸p ''t«i'' b»ng n­íc, chØ cã mét nhµ m¸y ë §øc sư dơng ph­¬ng ph¸p ''t«i'' b»ng dÇu. Hçn hỵp oxy vµ hy®rocacbon ®­ỵc trén tr­íc theo tû lƯ nhÊt ®Þnh. Ban ®Çu lµ qu¸ tr×nh ch¸y mét phÇn nguyªn liƯu vµ ngay sau ®ã lµ qu¸ tr×nh oxy ho¸ kh«ng hoµn toµn hy®rocacbon. Trong ph­¬ng ph¸p nµy ®é chuyĨn ho¸ hy®rocacbon kh«ng phơ thuéc vµo tèc ®é khÝ ®­a vµo mµ chØ cÇn khèng chÕ thêi gian l­u trong tÇng ph¶n øng nhá h¬n nhiỊu so víi thêi gian ph©n hủ trung b×nh cđa axetylen. Gia nhiƯt s¬ bé nguyªn liƯu ph¶n øng ®Õn nhiƯt ®é cao nhÊt cã thĨ ®¹t ®­ỵc tr­íc. Khi ®­a vµo lß ph¶n øng sÏ gi¶m ®­ỵc tiªu hao oxy vµ hy®rocacbon nguyªn liƯu. §ång thêi cịng t¹o ra tèc ®é lan truyỊn ngän lưa cao h¬n vµ l­u l­ỵng dßng lín h¬n trong lß ph¶n øng. Trong d©y chuyỊn c«ng nghƯ nhá nhÊt nh­ng quan träng nhÊt lµ lß ph¶n øng. CÊu t¹o cđa nã gÇn gièng nhau cho hai qu¸ tr×nh lµm nguéi nhanh b»ng n­íc vµ b»ng dÇu. Trªn h×nh 1 m« t¶ lß ph¶n øng cđa BASF. DÇu ®un nãng dung m«i DÇu cỈn KhÝ tuÇn hoµn H¬i n­íc ë ¸p suÊt thÊp DÇu chøa muéi cacbon H¬i n­íc ë ¸p suÊt cao (20 bar) KhÝ nguyªn liƯu 1 2 3c 4 5 6 Axetylen s¹ch DÇu rưa khÝ Naphta ®· nhiƯt ph©n H×nh 13. Qu¸ tr×nh nhiƯt ®iƯn víi hƯ thèng sư dơng dÇu t«i. 1. Thu håi nhiƯt; 2. Lß hå quang; 3. Thu håi dÇu; 4. ThiÕt bÞ ph©n chia c¸c hçn hỵp cã ®iĨm s«i cao; 5. ThiÕt bÞ ph©n chia c¸c hçn hỵp cã ®iĨm s«i thÊp; 6. ThiÕt bÞ t¸i sinh dÇu. T¹i ®Ønh thiÕt bÞ, t¸c nh©n ph¶n øng ®· ®­ỵc gia nhiƯt s¬ bé (®èi víi metan kho¶ng 6000C) ®­ỵc trén hçn hỵp thËt nhanh víi oxy t¹i buång trén. Khi hçn hỵp ph¶n øng ®­ỵc ®­a vµo buång ph¶n øng, sù b¾t lưa x¶y ra trong kho¶ng thêi gian vµi mili gi©y tuú thuéc vµo nguyªn liƯu hy®rocacbon vµ qu¸ tr×nh gia nhiƯt s¬ bé. C¸c hy®rocacbon cao h¬n sÏ ®­ỵc gia nhiƯt s¬ bé ë nhiƯt ®é thÊp h¬n so víi metan. §Ĩ tr¸nh sù thỉi ng­ỵc l¹i cđa hçn hỵp khÝ gi÷a buång trén vµ tÇng ph¶n øng ng­êi ta sư dơng thiÕt bÞ khuÕch t¸n lµ mét èng nèi tõ buång trén tíi lß ®èt. V× thµnh èng nh½n vµ lu«n lu«n cã dßng khÝ ®Ịu ®Ỉn ®i qua c¸c lç nhá cđa lß ®èt nªn thùc tÕ kh«ng x¶y ra sù chuyĨn ®éng ng­ỵc l¹i cđa hçn hỵp khÝ. Lß ®èt gåm nh÷ng tÊm thÐp ®­ỵc lµm nguéi b»ng n­íc vµ cã rÊt nhiỊu khe nhá ®Ĩ hçn hỵp khÝ ®i qua. Tèc ®é dßng khÝ lu«n lu«n lín h¬n tèc ®é lµn truyỊn ngän lưa v× vËy ngän lưa bªn d­íi lß ®èt kh«ng thĨ ®èt ng­ỵc trë l¹i thiƯt bÞ khuÕch t¸n. PhÝa d­íi lß ®èt cã ®­êng èng bỉ sung thªm oxy cho hçn hỵp ph¶n øng. Trong ®iỊu kiƯn kh«ng thuËn lỵi ngän lưa cã thĨ xuÊt hiƯn phÝa trªn lß ®èt. Trong tr­êng hỵp nµy ph¶i ng¾t ngay dßng oxy vµ thỉi Nit¬ vµo. Nit¬ dËp t¾t sù ch¸y kÝch nỉ tr­íc khÝ g©y ra sù cè cho thiÕt bÞ. Hydrocacbon Buång khuÕch t¸n Oxy Buång trén Bª t«ng lãt Lß ®èt N­íc hoỈc dÇu lµm nguéi vµo Buång ph¶n øng Vßng èng Buång lµm nguéi C¹o cỈn ®Þnh kú Th¸o n­íc hoỈc dÇu lµm nguéi KhÝ s¶n phÈm H×nh 14: Lß ph¶n øng oxy ho¸ kh«ng hoµn toµn cđa BASF Hçn hỵp khÝ cã nhiƯt ®é cao ë trong vïng ph¶n øng trong kho¶ng thêi gian vµi mili gi©y. Sau ®ã sÏ ®i qua vïng ''t«i'', t¹i ®ã cã phun n­íc hoỈc dÇu lµm m¸t tøc thêi ®Õn nhiƯt ®é 800C (®èi víi n­íc) hoỈc 200... 2500C (®èi víi dÇu). T¸c nh©n dïng ®Ĩ ''t«i'' hçn hỵp sau ph¶n øng ®­ỵc dÉn vµo tõ hƯ thèng gåm ba èng vßng ®Ỉt ngay phÝa d­íi tÇng ph¶n øng. b 1 1 900C N­íc chøa muéi 3 d KhÝ sau ph¶n øng ®Õn m¸y nÐn (30 0C) 2 5 6 4 Muéi cacbon sang lß ®èt Muéi sang lß ®èt KhÝ thiªn nhiªn Oxy H×nh 15. S¬ ®å c«ng nghƯ s¶n xuÊt axetylen víi qu¸ tr×nh “t«i” b»ng n­íc 1. ThiÕt bÞ gia nhiƯt; 2. ThiÕt bÞ ph¶n øng; 3. Th¸p lµm l¹nh; 4. ThiÕt bÞ läc ®iƯn; 5. ThiÕt bÞ thu håi muéi; 6. ThiÕt bÞ lµm l¹nh. Trong c«ng nghƯ cã ''t«i'' b»ng n­íc, nguyªn liƯu khÝ oxy vµ metan ®­ỵc ®­a qua thiÕt bÞ gia nhiƯt 1 ®¹t nhiƯt ®é cÇn thiÕt kho¶ng 600..7000C. Sau ®ã ®­a vµo thiÕt bÞ ph¶n øng 2, t¹i ®©y x¶y ra qu¸ tr×nh oxy ho¸ t¹o thµnh axetylen. Hçn hỵp sau ph¶n øng ®­ỵc lµm s¹ch nhanh b»ng n­íc ®Õn nhiƯt ®é 80...900C, sau ®ã hçn hỵp ®­ỵc ®­a qua th¸p lµm l¹nh 3 ®Ĩ tiÕp tơc lµm l¹nh, t¸ch muéi cacbon vµ bơi c¬ häc. ThiÕt bÞ läc ®iƯn 4 l¾p sau ®ã cho phÐp t¸ch triƯt ®Ĩ h¬n muéi cacbon vµ bơi c¬ häc. KhÝ s¹ch nhËn ®­ỵc tõ ®Ønh cét lµm l¹nh cã nhiƯt ®é 300C ®­ỵc ®­a qua m¸y nÐn sang bé phËn tinh chÕ thu s¶n phÈm axetylen. Muéi cacbon ®­ỵc thu håi nhê bé phËn l¾ng g¹n 5 vµ ®­ỵc ®­a vµo lß ®èt. ThiÕt bÞ lµm l¹nh 6 cã t¸c dơng lµm l¹nh n­íc vµ b¬m vËn chuyĨn tuÇn hoµn l­ỵng n­íc ®­a vµo "t«i" hçn hỵp sau ph¶n øng. ¦u ®iĨm cđa c«ng nghƯ theo s¬ ®å nµy lµ cã thĨ thu ®­ỵc axetylen víi hiƯu suÊt cao vµ ®­ỵc lµm s¹ch triƯt ®Ĩ muéi cacbon. Tuy nhiªn cÇn ph¶i b¬m mét l­ỵng lín n­íc ®Ĩ "t«i" s¶n phÈm ph¶n øng, kh«ng tËn dơng ®­ỵc nhiƯt cđa ph¶n øng. Trong s¬ ®å h×nh 16, ng­êi ta ®· kh¾c phơc nh­ỵc ®iĨm cđa s¬ ®å b»ng c¸ch tËn dơng nhiƯt cđa ph¶n øng ®Ĩ nhiƯt ph©n cỈn dÇu. T­¬ng tù nh­ s¬ ®å trªn ban ®Çu khÝ nguyªn liƯu ®­ỵc gia nhiƯt ®Õn nhiƯt ®é 600...7000C trong thiÕt bÞ gia nhiƯt 1, sau ®ã ®­ỵc dÉn vµo thiÕt bÞ ph¶n øng 2, hçn hỵp sau ph¶n øng ®­ỵc "t«i" b»ng c¸ch phun cỈn dÇu ®Õn nhiƯt ®é 200...2500C, l­ỵng dÇu ch­a ch¸y hÕt ®­ỵc l¾ng ë ®¸y th¸p vµ ®­ỵc b¬m trë l¹i nhê hƯ thèng b¬m mµng. Hçn hỵp khÝ sau ph¶n øng cïng víi c¸c s¶n phÈm ph©n hủ cđa dÇu lµ hydrocacbon th¬m (benzen toluen xylen -BTX) ®­ỵc ®­a qua trao ®ỉi nhiƯt lµm s¹ch khái muéi cacbon t¹i th¸p trao ®ỉi nhiƯt 3. Th¸p trao ®ỉi nhiƯt cã ba phÇn, ë phÇn d­íi cïng hçn hỵp khÝ trao ®ỉi nhiƯt víi dÇu, ë phÇn gi÷a trao ®ỉi nhiƯt tiÕp tơc vµ cã t¸ch c¸c hỵp chÊt vßng ng­ng tơ, ë phÇn trªn cïng trao ®ỉi nhiƯt víi hydrocacbon th¬m nhĐ (BTX). S¶n phÈm khÝ ra tõ ®Ønh th¸p lµ hçn hỵp cđa axetylen, cacbonic BTX... cã nhiƯt ®é 800C ®­ỵc ®­a sang thiÕt bÞ lµm l¹nh cuèi 7 ®Ĩ t¸ch BTX. Kkhý s¶n phÈm nhËn ®­ỵctõ ®Ønh th¸p cã nhiƯt ®é 30 0C ®­a sang m¸y nÐn 4, phÇn chøa BTX thu ®­ỵc ë ®¸y th¸p ®­ỵc ®­a sang thiÕt bÞ l¾ng g¹n 6 thu BTX, cỈn nỈng h¬n ®­ỵc ®­a sang thiÕt bÞ cèc ho¸ 5 lµm viƯc ë nhiƯt ®é kho¶ng 5000C. ¦u ®iĨm cđa s¬ ®å c«ng nghƯ nµy lµ tËn dơng nhiƯt cđa ph¶n øng ®Ĩ ph©n hủ cỈn dÇu, s¶n phÈm cđa qu¸ tr×nh ph©n hủ cỈn dÇu chđ yÕu BTX. Nh­ỵc ®iĨm cđa s¬ ®å c«ng nghƯ nµy lµ axetylen nhËn ®­ỵc cã ®é tinh khiÕt kh«ng cao so víi ph­¬ng ph¸p “ t«i “ b»ng n­íc, hiƯu suÊt s¶n phÈm kh«ng cao v× lµm l¹nh kh«ng triƯt ®Ĩ . C«ng nghƯ nhiƯt ph©n metan ®Ĩ s¶n xuÊt axetylen cã hiƯu qu¶ kinh tÕ h¬n ph­¬ng ph¸p nhiƯt ®iƯn nªn ®­ỵc sư dơng réng r·i h¬n trong c«ng nghiƯp. M 180 - 2200C 200 - 2600C 1400C 1000C 1100C 1500C 5000C KhÝ sau ph¶n øng vµ BTX BTX KhÝ sau ph¶n øng ®Õn m¸y nÐn (300C) Vßng th¬m ng­ng tơ cao Trao ®ỉi nhiƯt kh«ng khÝ Qu¸ tr×nh ph©n ly khÝ Hydrocacbon th¬m nhĐ (BTX) Muéi cacbon g 7 2 3 4 5 6 O2 CH4 DÇu cỈn 1 1 H×nh 16.S¬ ®å c«ng nghƯ s¶n xuÊt axetylen víi qu¸ tr×nh “t«i” b»ng dÇu 1. ThiÕt bÞ ®un nãng; 2. ThiÕt bÞ ph¶n øng; 3. Th¸p trao ®ỉi nhiƯt; 4. B¬m nÐn; 5. ThiÕt bÞ cèc ho¸; 6. L¾ng g¹n; 7. ThiÕt bÞ lµm l¹nh cuèi. 7.Ph­¬ng ph¸p t¸ch axetylen ra khái hçn hỵp khÝ nhiƯt ph©n. KhÝ sau khi nhiƯt ph©n cã thµnh phÇn axetylen thÊp vµ l­ỵng t¹p chÊt cao nªn kh«ng sư dơng ngay ®­ỵc, ta cÇn ph¶i t¸ch axetylen ra khái hçn hỵp. Cã nhiỊu ph­¬ng ph¸p t¸ch kh¸c nhau nh­ hÊp thơ b»ng n­íc, b»ng dung m«i chän läc (dimetyl formamid, N-metyl Pyrolidon...) b»ng dung m«i nhiƯt ®é thÊp (metanol, amoniac, kerosen...) vµ b»ng than ho¹t tÝnh ë d¹ng chuyĨn ®éng hoỈc ë d¹ng tÇng chỈt. HiƯn nay cã h¬n 70% d©y chuyỊn c«ng nghiƯp sư dơng ph­¬ng ph¸p dïng dung m«i chän läc. Phỉ biÕn thø hai lµ ph­¬ng ph¸p dïng dung m«i nhiƯt ®é thÊp, sau ®ã ®Õn ph­¬ng ph¸p hÊp thơ b»ng than ho¹t tÝnh. Ph­¬ng ph¸p hÊp thơ b»ng n­íc Ýt ®­ỵc sư dơng nhÊt do gi¸thµnh qu¸ cao. Cịng cã mét sè h­íng ®i sư dơng trùc tiÕp khÝ ®· nhiƯt ph©n víi nång ®é axetylen thÊp nh­ h·ng BASF ®· sư dơng khÝ sau nhiƯt ph©n ®Ĩ s¶n xuÊt axeton. Tuy vËy xu h­íng nµy vÉn chØ ®¹t quy m« nhá. Dung m«i chän läc trong c«ng nghiƯp chđ yÕu lµ N-metyl Pyrolidon: N-metyl Pyrolidon ®­ỵc ®iỊu chÕ tõ butylrolacton vµ metylamin theo ph­¬ng tr×nh ph¶n øng. ë nhiƯt ®é th­êng nã lµ mét chÊt láng ch¸y ®­ỵc, kh«ng mµu vµ cã mïi ®Ỉc tr­ng, c¸c h»ng sè quan träng cđa nã bao gåm: [25] Tû träng dH25: 1,03 §é nhít ë 200C cm3: 1,7¸1,85 T0 s«i ë 760mm Hg: 200¸2020C T0 nãng ch¶y: -240C Khèi l­ỵng riªng: 1025,1Kg/m3 + Qu¸ tr×nh t¸ch cđa BASF: Axetylen láng lµ s¶n phÈm nguy hiĨm ngay c¶ ë nhiƯt ®é thÊp. Kh«ng thĨ t¸ch axetylen nh­ nh÷ng qu¸ tr×nh t¸ch s¶n phÈm th«ng th­êng mµ ta ph¶i sư dơng ph­¬ng ph¸p t¸ch b»ng c¸ch cho chĩng hÊp thơ vµo dung m«i. C¸ch lµm nµy kinh tÕ h¬n khi nÐn chĩng tr­íc khi cho hÊp thơ. Giíi h¹n d­íi cđa ¸p suÊt riªng phÇn cđa axetylen ph¶i nhá h¬n 1,4 Bar. H×nh 17: S¬ ®å t¸ch axetylen cđa BASF sư dơng dung m«i NMP. 1. Th¸p hÊp thơ axetylen 2. Th¸p nh¶ hÊp thơ axetylen 3. Th¸p nh¶ hÊp thơ ë ¸p suÊt th­êng 4. Th¸p nh¶ hÊp thơ ë ¸p suÊt ch©n kh«ng 5.Th¸p rưa Trªn h×nh 17. s¬ ®å vïng hÊp thơ thu håi axetylen ®­ỵc m« t¶ bëi qu¸ tr×nh BASF, N-Metyl Pyrolidon ®­ỵc sư dơng ®Ĩ ph©n chia 3 dßng khÝ: 1. §ång ®¼ng cđa axetylen lµ hỵp chÊt th¬m, lµ nh÷ng phÇn tư dƠ hoµ tan nhÊt trong khi ®· nhiƯt ph©n (®ã lµ mét dßng khÝ nhá ®­ỵc pha lo·ng víi khÝ tỉng hỵp th« ®Ĩ an toµn vµ sư dơng nh­ nguyªn liƯu) 2. S¶n phÈm chÝnh: axetylen Ýt hoµ tan h¬n nh÷ng ®ång ®¼ng cao h¬n nã, nh­ng kh¶ n¨ng hoµ tan cđa nã cao h¬n nhiỊu so víi nh÷ng cÊu tư khÝ cßn l¹i. 3. KhÝ tỉng hỵp th« chđ yÕu lµ hydro vµ cacbon monoxit. §Ỉc ®iĨm cđa s¬ ®å: KhÝ nhiƯt ph©n ®­ỵc nÐn ®Õn ¸p suÊt 10 atm(v× lý do kinh tÕ) ®­a vµo th¸p hÊp thơ lµm viƯc ë nhiƯt ®é 450C, dung m«i NMP chøa 2% träng l­ỵng lµ n­íc. KhÝ tỉng hỵp th« ®­ỵc t¸ch ra khái th¸p hÊp thơ v× thùc tÕ chĩng kh«ng bÞ hÊp thơ. KhÝ trong dung m«i ®­ỵc t¸ch ra nhiỊu bËc: Qua th¸p nh¶ hÊp thơ 2 lµm viƯc ë ¸p suÊt 1,2 atm. CO2 tho¸t ë ®Ønh ®­ỵc tuÇn hoµn l¹i m¸y nÐn ®Ĩ pha lo·ng hçn hỵp khÝ nhiƯt ph©n. Axetylen ®­ỵc t¸ch ra khái ë s­ên cđa thiÕt bÞ cÊt 2. Dung m«i chøa ®ång ®¼ng cđa axetylen sang thiÕt bÞ nh¶ hÊp thơ tiÕp theo ë 110¸1200C (®Çu tiªn nh¶ ë ¸p suÊt khÝ quyĨn sau ®ã lµ ë ¸p suÊt ch©n kh«ng). H¬i qu¸ nhiƯt cđa th¸p ch©n kh«ng qua thiÕt bÞ rưa thu ®­ỵc khÝ ®ång ®¼ng axetylen. §Ĩ gi¶m tèi thiĨu sù cã mỈt cđa polyme trong dung m«i, kho¶ng 2% dßng tuÇn hoµn ®­ỵc trÝch ra liªn tơc tõ chu tr×nh cÊt ch©n kh«ng vµ ch­ng cÊt d­íi ¸p suÊt thÊp h¬n ®Ĩ th¶i bá polyme d¹ng b¸nh kh«. S¶n phÈm Axetylen tõ qu¸ tr×nh trªn cã ®é tinh khiÕt kho¶ng 98,45%, c¸c thµnh phÇn cßn l¹i chđ yÕu lµ c¸c ®ång ®¼ng cđa Axetylen. CH¦¥NG III. So s¸nh c¸c c«ng nghƯ s¶n xuÊt vµ chän s¬ ®å c«ng nghƯ s¶n xuÊt. Tr­íc ®©y ng­êi ta chØ s¶n xuÊt Axetylen tõ canxi cacbua. ¦u ®iĨm lín nhÊt cđa ph­¬ng ph¸p nµy lµ Axetylen s¶n xuÊt ra cã ®é tinh khiÕt cao 99% cã thĨ dïng trong nhiỊu qu¸ tr×nh tỉng hỵp kh¸c nhau. Sau nµy cïng víi sù ph¸t triĨn cđa ngµnh dÇu má, ng­êi ta ®· nghiªn cøu vµ ®­a vµo sư dơng qu¸ tr×nh s¶n xuÊt Axetylen tõ hydrocacbon vµ ®Õn nay ph­¬ng ph¸p nµy ngµy cµng ph¸t triĨn. Ph­¬ng ph¸p nµy cã ®iĨm thuËn lỵi. * Hydrocacbon lµ nguån nguyªn liƯu rỴ tiỊn * Vèn ®Çu t­ cÇn thiÕt thÊp * Ýt hao tỉn ®iƯn n¨ng ViƯc dïng ph­¬ng ph¸p nµo vµo viƯc s¶n xuÊt axetylen lµ tuú theo ®iỊu kiƯn tõng n­íc. Nh­ng viƯc so s¸nh lùa chän ph­¬ng ph¸p cịng nh­ c«ng nghƯ lµ ®iỊu rÊt cÇn thiÕt. D­íi ®©y lµ b¶ng so s¸nh chØ trªn kinh tÕ - kü thuËt cđa c¸c ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt axetylen do N.B.Pedopeno lµm ra: B¶ng so s¸nh ChØ sè S¶n xuÊt tõ canxicacbua Ph­¬ng ph¸p nhiƯt ®iƯn Ph­¬ng ph¸p oxy ho¸ kh«ng hoµn toµn Vèn ®Çu t­ 100 70¸75 30¸35 Gi¸ thµnh 100 30¸35 30¸40 N¨ng l­ỵng 100 60¸70 45¸55 HiƯu suÊt lao ®éng 100 300¸400 200¸300 Tõ b¶ng trªn ta nhËn thÊy mỈc dï axetylen s¶n xuÊt tõ canxicacbua cã ®é s¹ch cao vµ viƯc lµm s¹ch kh«ng phøc t¹p nh­ c¸c ph­¬ng ph¸p kh¸c nh­ng ph­¬ng ph¸p nµy tèn nhiỊu ®iƯn n¨ng, than vµ ®¸ v«i, mỈt kh¸c viƯc vËn chuyĨn kh«ng thuËn lỵi, ®iỊu kiƯn s¶n xuÊt ë nhµ m¸y canxicacbua rÊt h¹i (bơi, nãng...) v× vËy ph­¬ng ph¸p nµy chØ ¸p dơng tèt cho nh÷ng n­íc cã nguån dù tr÷ ®¸ v«i lín, ®iƯn n¨ng t­¬ng ®èi rỴ vµ nguån nh©n c«ng rỴ. Ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt axetylen tõ hydrocacbon cã ­u ®iĨm lín lµ thùc hiƯn trong pha khÝ do ®ã dƠ tù ®éng ho¸, dƠ vËn chuyĨn nguyªn liƯu vµ s¶n phÈm. MỈt kh¸c ph­¬ng ph¸p nµy ngoµi thu ®­ỵc s¶n phÈm chÝnh lµ axetylen cßn thu ®­ỵc nhiỊu s¶n phÈm phơ cã gi¸ trÞ do ®ã dÉn ®Õn gi¸ thµnh s¶n phÈm h¹. C¸c ph­¬ng ph¸p nhiƯt ph©n nh­ qu¸ tr×nh oxy ho¸ kh«ng hoµn toµn, Ýt tèn n¨ng l­ỵng ®iƯn h¬n v× chØ dïng ®iƯn ®Ĩ ®iỊu chØnh oxy ho¸ vµ t¸ch axetylen ra khái hçn hỵp khÝ ®· nhiƯt ph©n. Nh­ng c¸c ph­¬ng ph¸p nµy cÇn l­ỵng hydrocacbon nhiỊu h¬n v× ngoµi hydrocacbon chuyĨn ho¸ thµnh axetylen vµ c¸c khÝ kh¸c cßn cã l­ỵng hydrocacbon dïng ®èt ch¸y t¹o thµnh nhiƯt l­ỵng. S¶n phÈm thu ®­ỵc ngoµi axetylen cßn thu ®­ỵc mét n¨ng l­ỵng khÝ tỉng hỵp. NÕu ta cã xu h­íng sư dơng khÝ tỉng hỵp th× qu¸ tr×nh oxy ho¸ kh«ng hoµn toµn rÊt kinh tÕ. Trong c¸c c«ng nghƯ nhiƯt ph©n ®Ĩ s¶n xuÊt axetylen th× c«ng nghƯ cđa h·ng BASF ®­ỵc dïng phỉ biÕn v× ®©y lµ c«ng nghƯ kh«ng qu¸ phøc t¹p, hiƯu qu¶ kinh tÕ t­¬ng ®èi cao h¬n so víi c¸c qu¸ tr×nh kh¸c. Do vËy trong khu«n khỉ ®å ¸n nµy em chän c«ng nghƯ cđa h·ng BASF ®Ĩ s¶n xuÊt axetylen. Chĩ thÝch: ThiÕt bÞ gia nhiƯt cho oxy. ThiÕt bÞ gia nhiƯt cho khÝ thiªn nhiªn. ThiÕt bÞ thu håi muéi. Th¸p lµm l¹nh. ThiÕt bÞ ph¶n øng. ThiÕt bÞ lµm l¹nh vµ t¸ch muéi. ThiÕt bÞ läc ®iƯn. ThiÕt bÞ nÐn B¬m n­íc, b¬m dung m«i. 10.ThiÕt bÞ hÊp thơ 11. ThiÕt bÞ nh¶ hÊp thơ CO2. 12.ThiÕt bÞ nh¶ hÊp thơ ¸p suÊt ch©n kh«ng. 13.Th¸p rưa. 14.B¬m ch©n kh«ng. 15. ThiÕt bÞ gia nhiƯt cho dung m«i. 16.ThiÕt bÞ trao ®ỉi nhiƯt. · ThuyÕt minh d©y chuyỊn s¶n xuÊt: Nguyªn liƯu khÝ tù nhiªn vµ oxy kü thuËt sau khi gia nhiƯt s¬ bé ®Õn 6000C ®­ỵc ®­a vµo thiÕt bÞ ph¶n øng. KhÝ tù nhiªn vµ oxy kü thuËt sau khi qua vïng trén(buång khuÕch t¸n) ®Ĩ ®¶m b¶o cho khÝ tù nhiªn vµ oxy kü thuËt ®­ỵc trén ®Ịun nguyªn liƯu sau khi trén ®Ịu qua hƯ thèng ph©n phèi khÝ( ®©y lµ hƯ thèng cã nhiỊu èng nhá cã nhiƯm vơ chia khÝ ch¸y thµnh nh÷ng cơm nhá vµ tr¸nh sù ch¸y ng­ỵc trë l¹i cđa hçn hỵp) vµ ®Õn vïng ph¶n øng. Trong vïng ph¶n øng mét phÇn khÝ tù nhiªn vµ oxy kü thuËt ch¸y t¹o thµnh nhiƯt ®é cÇn thiÕt ®Ĩ h×nh thµnh khÝ Axetylen (kho¶ng 1300 ¸ 16050C). Thêi gian l­u cđa hçn hỵp khÝ rÊt ng¾n: 0,02 gi©y ®Ĩ tr¸nh sù ph©n hủ cđa s¶n phÈm. Sau ®ã hçn hỵp khÝ nhiƯt ph©n ®­ỵc t«i b»ng n­íc ®Õn nhiƯt ®é 800C. Sau qu¸ tr×nh t«i mét phÇn muéi cacbon t¹o thµnh ®­ỵc t¸ch ra cïng víi n­íc.Sau khi ®­ỵc t«i xong khÝ nhiƯt ph©n qua bé phËn lµm l¹nh vµ t¸ch muéi bao gåm lµm l¹nh b»ng n­íc vµ läc ®iƯn. Sau ®ã khÝ nhiƯt ph©n ®­ỵc nÐn tíi 10atm vµ cho sang khÝ hÊp thơ dïng dung m«i chän läc lµ n- Metylpyrolidon. Th¸p hÊp thơ lµ lo¹i th¸p ®Ưm lµm viƯc ë ¸p suÊt 10atm vµ nhiƯt ®é 450C. Dung m«i vµ khÝ nhiƯt ph©n ®i ng­ỵc chiỊu nhau( khÝ ®i tõ d­íi lªn vµ dung m«i ®i tõ trªn xuèng). PhÇn khÝ tỉng hỵp th« ®­ỵc tho¸t ra ë ®Ønh th¸p. KhÝ trong dung m«i ®­ỵc t¸ch ra nhiỊu bËc b»ng c¸ch gi¶m ¸p suÊt vµ t¨ng nhiƯt ®é. Dung m«i chøa khÝ hÊp thơ ®­ỵc ®­a sang th¸p ch­ng phÇn nhĐ ( lµm viƯc ë 1,2 atm). Trong th¸p nµy dung m«i ®­ỵc ®­a vµo tiÕp xĩc ng­ỵc víi dßng khÝ tõ th¸p hÊp thơ qu¸ tr×nh nµy kÐo dµi theo sù tho¸t khÝ CO2 lµ khÝ Ýt hoµ tan nhÊt vµ ®­ỵc tuÇn hoµn vỊ thiÕt bÞ nÐn vµ cuèi cïng theo khÝ tỉng hỵp th« ra ngoµi. S¶n phÈm Axetylen lÊy ë s­ên thiÕt bÞ cÊt. Dung m«i NMP hoµn toµn nh¶ hÊp thơ ë bËc tiÕp theo lµ thiÕt bÞ ch­ng cÊt ë ¸p suÊt ch©n kh«ng. Dung m«i sau khi nh¶ hÊp thơ ®­ỵc tuÇn hoµn trë l¹i t­íi cho th¸p hÊp thơ. C¸c ®ång ®¼ng cđa Axetylen ®­ỵc ®­a sang thiÕt bÞ thu t¸ch khÝ vµ h¬i n­íc theo ®­êng khÝ ®ång ®¼ng th« ra ngoµi. L­ỵng dung m«i tuÇn hoµn ®­ỵc trÝch liªn tơc 2% ®Ĩ läc Polyme thµnh d¹ng b¸nh. PhÇn IV: TÝnh to¸n Ch­¬ng I. TÝnh c©n b»ng vËt chÊt I. TÝnh c©n b»ng vËt chÊt cho qu¸ tr×nh t¸ch Axetylen b»ng dung m«i NMP-H2O. Víi d©y chuyỊn s¶n xuÊt ho¹t ®éng trong n¨m th× sÏ cã 15 ngµy nghØ sưa ch÷a nhá, 30 ngµy b¶o d­ìng,thay thÕ vµ sưa ch÷a lín. Nh­ vËy trong mét n¨m, sè ngµy lµm viƯc lµ: 365 - 45 = 320 (ngµy) N¨ng suÊt yªu cÇu cđa d©y chuyỊn lµ 70.000T/ n¨m KhÝ sau qu¸ tr×nh nhiƯt ph©n cã thµnh phÇn lµ: CÊu tư % thĨ tÝch r(kg/m3) C2H2 8,5 1,1708 C2H4 0,4 1,2614 H2 57 0,0898 CH4 4 0,7167 CO 25,5 1,2501 CO2 3 1,9768 N2 1 1,2507 C3H4 0,6 1,7857 Víi n¨ng suÊt 70.000T/n¨m Axetylen tinh ®ßi hái Axetylen cđa khÝ nhiƯt ph©n lµ: 70.000 x 22,4 x 1000 = 7852,564 , m3/h 26 x 24 x 320 Víi n¨ng suÊt thu t¸ch trong qu¸ tr×nh ph©n t¸ch h = 0,9 vµ thµnh phÇn cđa Axetylen trong khÝ nhiƯt ph©n lµ 8,5% do ®ã l­ỵng nhiƯt ph©n thùc tÕ lµ: 7852,564 x 22,4 x 100 =102647,895 , m3/h 0,9 x 8,5 Nh­ vËy thĨ tÝch cđa tõng khÝ trong khÝ nhiƯt ph©n. B¶ng 1: Thµnh phÇn thĨ tÝch trong khÝ nhiƯt ph©n CÊu tư % thĨ tÝch r(kg/m3) C2H2 8725,071 10215,313 C2H4 410,591 517,920 H2 58509,3 5254,135 CH4 4105,915 2942,709 CO 26175,213 32721,634 CO2 3079,436 6087,43 N2 1026,4789 1283,817 C3H4 615,887 1099,769 Tỉng céng 102647,8922 60122,727 Trong qu¸ tr×nh thu t¸ch ta cã s¬ ®å dßng vËt liƯu. 11111 2 3 4 5 6 7 VI VII VIII VIV VII VVI G4 G5 1 1-th¸p hÊp thơ 2-th¸p nh¶ hÊp thơ 3-th¸p hÊp thơ ë nhiƯt ®é cao 4-th¸p nh¶ hÊp thơ ë nhiƯt ®é cao 5-th¸p nh¶ hÊp thơ ë ¸p suÊt ch©n kh«ng 6-th¸p nh¶ hÊp thơ®ång ®¼ng axetylen ë ¸p suÊt ch©n kh«ng 7-th¸p rưa Dung m«i sư dơng ë ®©y lµ hƯ dung m«i NMP - H2O víi 2% träng l­ỵng lµ H2O. + HÊp thơ khÝ trong th¸p hÊp thơ, t¸ch c¸c cÊu tư khÝ kh«ng tan ra khái dung m«i vµ nh¶ Axetylen (thiÕt bÞ 1,2,3,4,5). + Lµm s¹ch Axetylen (thiÕt bÞ 3). + T¸ch khái dung dÞch c¸c ®ång ®¼ng Axetylen. Ng­êi ta thõa nhËn sè cÊu tư trong pha khÝ lµ 3: CO, N2, CH4, C2H4 lµ khÝ tr¬ (kh«ng hoµ tan hoỈc hoµ tan rÊt Ýt vµo dung m«i), hai cÊu tư Axetylen vµ CO2 cã ®é hoµ tan gièng nhau. Th¸p hÊp thơ khÝ nhiƯt ph©n lµm viƯc ë ¸p suÊt P = 10atm, nhiƯt ®é T= 450C. KhÝ nhiƯt ph©n cã thµnh phÇn 8,5 C2H2, 3% CO2, 0,6% C3H4 vµ 87,9% khÝ tr¬. + L­ỵng dung m«i cÇn thiÕt ®Ĩ hÊp thơ x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: (1) Trong ®ã: XTR¥: lµ phÇn tr¨m khÝ tr¬ V1: thĨ tÝch khÝ tõ qu¸ tr×nh nhiƯt ph©n, m3 m: l­ỵng dung m«i cÇn thiÕt h: ®é b·o hoµ cđa dung m«i ë ®¸y th¸p h©p thơ a1C2H2: hƯ sè ®é hoµ tan cđa C2H2 trªn dung m«i NMP-H2O ë ®iỊu kiƯn cđa th¸p P1: ¸p suÊt hÊp thơ P2: ¸p suÊt nhá hÊp thơ : hƯ sè ®é hoµ tan cđa CO2 trªn dung m«i NMP-H2O ë ®iỊu kiƯn P = 10atm vµ T = 450C Víi dung m«i NMP - H2O (% khèi l­ỵng n­íc) ta cã: = 16,5 (cm3/g) = 2,2 (cm3/g) Víi ®é b·o hoµ dung m«i h = 0,9 thay c¸c gi¸ trÞ vµo biĨu thøc (1) ta cã: V1 = 0,9 x 16,5 x (10 - 2,2) x (16,5 - 2,2) = 147 m 0,879 x (16,5 - 2,2) + (1- 0,9) x 0,085 x 16,5 Suy ra: m = 102647,895 = 698,285 , m3 147 + X¸c ®Þnh c¸c dßng khÝ chuyĨn ®éng cđa th¸p: X¸c ®Þnh l­ỵng khÝ tuÇn hoµn VII VII = P2.m. + P1. XIIITR¥..aTR¥ . m (2) Trong ®ã : aCO2 : hƯ sè hoµ tan cđa CO2 trªn dung m«i aCO2 = 2,2 (cm3/g) XIII TR¥ : phÇn mol cđa khÝ tr¬ trong hçn hỵp khÝ vµo th¸p (khÝ tuÇn hoµn + khÝ nhiƯt ph©n) aTR¥: hƯ sè hoµ tan cđa khÝ tr¬ víi dung m«i, aTRO = 0,05 (cm3/g) Víi: XTR¥ =97% Do ®ã: XTR¥= 1- 0,097 - 0,01 = 0,893% mol. Thay c¸c gi¸ trÞ vµo (2) ta ®­ỵc: VII =( 698,285 x 1,2 x 2,2) + (10 x 0,879 x 0,05) = 1843,911 , m3/h - L­ỵng khÝ Axetylen ra khái thiÕt bÞ (4) vµo thiÕt bÞ (3), G4 lµ: ( m3/h) Trong ®ã: ( m3/h) P3 = P2 = 1,2 ( atm) Do ®ã: G4 = 1,2 x 16,5 x 698,285 =13826,043, m3/h + L­ỵng khÝ ra khái thiÕt bÞ (5) vµo thiÕt bÞ (4). G5 lµ: Trong ®ã: : HƯ sè hoµ tan C2H2 dung m«i ë ®iỊu kiƯn: p = 1,2 atm, T = 100 ¸ 1100C, vµ ta cã = 3,74 ( cm3/h) P4: ¸p suÊt lµm viƯc ë th¸p 4 P0: ¸p suÊt c©n b»ng cđa h¬i P0 = 0,13atm Khi ®ã: G5 = 3,74 x 698,285 x (1,2 – 0,13) = 2794,396 ( m3/h) Theo c©n b»ng CO2 trong thiÕt bÞ 1 ta cã: , (3) Trong ®ã: VIV : l­ỵng khÝ tỉng hỵp th« ®i ra . : phÇn mol CO2 trong khÝ tỉng hỵp . : hƯ sè hoµ tan cđa CO2 trong dung m«i . Do ®ã l­ỵng CO2 trong khÝ tỉng hỵp: VIII = VI + VII = 102647,895 + 1843,911 =104491,806 (m3/h) Tõ (3) ta cã: VIV . XIVCO2 = 104491,806 .0,01 – 10 . 0,01.2,2 . 698,285 =891,295(m3/h) * CH4 vµ C2H4 thùc tÕ kh«ng hoµ tan trong dơng m«i nªn ®i ra ngoµi theo khÝ tỉng hỵp th« do ®ã thµnh phÇn cđa khÝ tỉng hỵp th« lµ: B¶ng 2: Thµnh phÇn khÝ tỉng hỵp th« CÊu tư L­u l­ỵng m3/h % thĨ tÝch r kg/m3 CH4 4105,915 4,5 0,7167 C2H4 410,591 0,45 1,2614 CO 26175,312 28,77 1,2510 CO2 819,29536 0,9 1,9768 H2 58509,3 64,3 0,0898 N2 1026,4789 1,13 1,2507 Tỉng 90971,811 100 6,5464 + Thµnh phÇn cđa khÝ trong s¶n phÈm. HiƯu suÊt thu t¸ch h = 0,9 do ®ã l­ỵng Axetylen trong s¶n phÈm lµ: 8725,071x 0,9 = 7852,563 ( m3/h) L­ỵng ®ång ®¼ng trong khÝ nhiƯt ph©n: 615,88737x 0,05 =30,794( m3/h) L­ỵng CO2 trong s¶n phÈm: 3079,436 – 819,29536= 218,814 ( m3/h) Nh­ vËy thµnh phÇn khÝ s¶n phÈm lµ: B¶ng 3: Thµnh phÇn khÝ s¶n phÈm CÊu tư L­u l­ỵng m3/h % thĨ tÝch C2H2 7852,563 97,01 CO2 30,794 2,5 C3H4 218,814 0,49 Tỉng céng 8102,171 100 + Thµnh phÇn khÝ ®ång ®¼ng: *L­ỵng ®ång ®¼ng ®i ra ë phÇn trªn thiÕt bÞ 7: V× ta cÇn ph¶i t¸ch liªn tơc 2% l­ỵng dung m«i cđa thiÕt bÞ (6) ®Ĩ tiÕn hµnh t¸i chÕ dung m«i t¸ch Polime ra khái dung m«i nªn l­ỵng ®ång ®¼ng mÊt m¸t lµ: 615,887 x 0,95 x 0,02 = 11,70 (m3/h) *L­ỵng C2H2 lÉn trong dung m«i thiÕt bÞ 6: V× ta cÇn ph¶i t¸ch liªn tơc 2% l­ỵng dung m«i cđa thiÕt bÞ (6) ®Ĩ tiÕn hµnh t¸i chÕ dung m«i t¸ch Polime ra khái dung m«i nªn l­ỵng C2H2 mÊt m¸t lµ: 8725,071 – 7825,563 =872,508 ( m3/h) Suy ra l­ỵng mÊt m¸t C2H2 lµ: 872,508 . 0,02 = 17,450 ( m3/h) Nh­ vËy l­ỵng C2H2 ®i ra ngoµi cïng ®ång víi ®ång ®¼ng lµ: 872,508 – 15,450 =855,85 ( m3/h) *L­ỵng ®ång ®¼ng ®i ra phÇn trªn cđa thiÕt bÞ 7: 615,88737 – 30,749 =585,138 ( m3/h) Thµnh phÇn ®i ra khái th¸p 7: Tõ c¸c sè liƯu trªn ta cã b¶ng c©n b»ng vËt chÊt: B¶ng 4: C©n b»ng vËt chÊt qu¸ tr×nh t¸ch Axetylen L­ỵng vµo L­ỵng ra CÊu tư m3/h kg/h CÊu tư m3/h kg/h C2H2 8725,071 10215,313 KhÝ s¶n phÈm C2H4 410,591 517,920 C2H2 7852,563 9193,78 H2 58509,3 5254,135 CO2 218,814 432,68 CH4 4105,915 2942,709 C3H4 30,794 54,988 CO 26175,213 32721,7 KhÝ tỉng hỵp th« CO2 3079,436 6087,43 CH4 4105,915 2942,703 N2 1026,4789 1283,817 C2H4 410,591 517,919 C3H4 615,8873 1099,769 CO 26175,312 32721,757 CO2 819,29536 1619,582 H2 58509,3 5254,135 N2 1026,4789 1283,817 KhÝ ®ång ®¼ng C3H4 585,09 1044,795 C2H2 855,85 1002,029 MÊt m¸t C2H2 17,450 20,430 C3H4 11,70 20,8959 Tỉng 102647,8952 60122,727 Tỉng 102647,822 60193,63 II. TÝnh c©n b»ng vËt chÊt trong thiÕt bÞ ph¶n øng. Trong thiÕt bÞ ph¶n øng x¶y ra c¸c ph¶n øng sau: 2CH4 « C2H2 + 3H2 (1) C2H6 « C2H4 + H2 (2) CH4 « C + 2H2 (3) C3H8 « C3H4 + 2H2 (4) CH4 + 2O2 « CO2 + 2H2O (5) 2CH4 + O2 « 2CO + 4H2 (6) 2CH4 + 3/2O2 « CO + 2H2O (7) Gäi VSP lµ thĨ tÝch s¶n phÈm ®i ra khái ph¶n øng Ta cã: % C2H2 = 8,5%VSP = 0,085VSP (1') % C2H4 = 0,4%VSP = 0,004VSP (2') % H2 = 57%VSP = 0,57VSP (3') % CH4 = 4%VSP = 0,04VSP (4') % CO = 25,5%VSP = 0,255VSP (5') % CO2 = 3%VSP = 0,03VSP (6') % N2 = 1%VSP = 0,01VSP (7') % C3H4 = 0,6%VSP = 0,006VSP (8') Ta biÕt ®èi víi 1 tÊn Axetylen th× l­ỵng muéi cacbon trung b×nh lµ 50(kg). §Ĩ tiƯn tÝnh to¸n ta quy chuyĨn l­ỵng muéi cacbon ra thĨ tÝch: Vc = 0,1083 x 0,085 x VSP = 0,0092 VSP (9') Thay c¸c sè liƯu (1'), (2'), (6'), (8'), (9') vµo ph¶n øng (1), (2), (3) (4), (5) ta ®­ỵc: 2CH4 « C2H2 + 3H2 2x0,085VSP 0,085VSP 3x0,085VSP C2H4 « C2H4 + H2 0,004VSP 0,004VSP 0,004VSP CH4 « C + 2H2 0,0092VSP 0,0092VSP 2x0,0092 C3H8 « C3H4 + 2H2 0,006VSP 0,006VSP 2x0,006VSP CH4 + 2O2 « CO2 + 2H2O 0,03VSP 2x0,03VSP 0,03VSP 2x0,03VSP 2CH4 + O2 « 2CO + 4H2 2. 0,0702VSP 0,0702VSP 2. 0,0702VSP 4. 0,0702VSP CH4 + 3/2O2 « CO + 2H2O 0,1147VSP 3/2.0,1147VSP 0,1147VSP 2. 0,1147VSP Tõ ph¶n øng (1), (2), (3) (4), (6) vµ ph­¬ng tr×nh (3') ta cã: SVH2 = VH2(1) +VH2(2) +VH2(3) +VH2(4) +VH2(5) +VH2(6) = 0,57VSP Thay c¸c gi¸ trÞ vµo ta ®­ỵc: (3 x 0,085 + 0,004 + 0,0184 + 0,012)x VSP + VH2(6) = 0,57VSP Suy ra: VH2(6) = 0,57 - 0,2894VSP = 0,2806 VSP Tõ (6)ta cã VCO(6) = 0,1404 VSP Suy ra: VCO ë ph­¬ng tr×nh (7) sÏ lµ: VCO(7) = SVCO - VCO(6) = 0,255 VSP - 0,1404 VSP = 0,1146 VSP Víi VCO(6), VCO(7): ThĨ tÝch CO cđa ph¶n øng (6), (7). SVCO lµ tỉng thĨ tÝch khÝ CO trong khÝ s¶n phÈm nhiƯt ph©n. Tõ (4¢) CH4 kh«ng tham gia ph¶n øng nhiƯt ph©n. VCH4 (kh«ng ph¶n øng) = 0,04VSP Do vËy tỉng thĨ tÝch khÝ CH4 cđa nguyªn liƯu lµ: SVCH4= VCH4(1)+VCH4(3)+VCH4(5)+VCH4(6)+VCH4(7)+VCH4(kp­) = (2x0,085 + 0,0092 + 0,03 + 0,1404 + 0,1146 + 0,04)VSP = 0,5042 VSP (10') KhÝ oxy kü thuËt gåm cã 98% CO2 vµ 2% lµ khÝ Nit¬. Tõ ph¶n øng (5), (6), (7) ta x¸c ®Þnh ®­ỵc thĨ tÝch khÝ oxy: VO2 = VO2(5) + VO2(6) + VO2(7) = (2 x 0,03 + 0,0702 + 3/2 x0,1147) VSP = 0,3022VSP (11') V× C2H2 cã giíi h¹n nỉ rÊt réng víi kh«ng khÝ: Tõ 2,5 ¸ 80%, do vËy viƯc khèng chÕ ®Ĩ tr¸nh thÊt tho¸t ®ßi hái ph¶i kiĨm so¸t sao cho l­ỵng khÝ mÊt m¸t lµ nhá nhÊt. Do ®ã ta coi mÊt m¸t khÝ lµ 2% tỉng l­ỵng khÝ: Vmm = 0,02 VSP Nh­ vËy cÇn ph¶i cã l­ỵng s¶n phÈm thùc tÕ VSP = 102647,892x100 =104742,7467 (m3/h) 98 Vmm = 0,02 VSP = 0,02 x104742,7467 =2094,854 (m3/h) * Thµnh phÇn khÝ oxy kü thuËt. VO2 = 0,3022 x 104742,7467 = 31653,258 (m3/h) Do O2 chiÕm 98% thµnh phÇn khÝ O2 kü thuËt nªn l­u l­ỵng khÝ oxy kü thuËt lµ: VO2KT = VO2 x 100 = 0,308VSP = 0,308 x 89779,499 98 = 27685,065 ( m3/h) L­ỵng khÝ N2 lµ: VN2 = 0,02 VO2KT = 0,02 x 32299,242=645,984 (m3/h) Thµnh phÇn khÝ tù nhiªn: Theo (10') ta cã: VCH4 = 0,5042 x 104742,7467 = 52811,2928 (m3/h) GCH4 = VCH4 x SCH4 = 52811,2928 x 0,7167 = 37849,853 (m3/h) Theo (2) ta cã: VC2H6 = 0,004VSP = 0,004 x 104742,7467 = 418,969(m3/h) GC3H8 = 418,969 x 1,2614 = 528,488 ( kg/h) L­ỵng N2 trongkhÝ tù nhiªn: VN2(KTN) = 0,01VSP - 0,0062VSP = 0,0038VSP = 0,0038 x 104742,7467 =398,022 (m3/h) hay: GN2(KTN) = 398,022 x 1,2507 =497,806 (kg/h) L­ỵng H2O sinh ra: Dùa vµo ph¶n øng (5) vµ (7) ta cã: VH2O = VH2O(5) + VH2O(7) = (0,06 + 0,2294)VSP = 0,2894 x 104742,7467= 30312,55 (m3/h) hay: GH2O = VH2O. rH2O = 0,8036 x 30312,55 =24359,165 (kg/h) L­ỵng n­íc nµy ng­ng tơ trong qu¸ tr×nh t«i nªn kh«ng cã mỈt trong thµnh phÇn khÝ s¶n phÈm nhiƯt ph©n, cịng t­¬ng tù l­ỵng muéi hÇu nh­ ë thĨ r¾n vµ bÞ n­íc trong qu¸ tr×nh t«i gi÷ l¹i nªn kh«ng cã mỈt trong khÝ nhiƯt ph©n. Khèi l­ỵng muéi cacbon (C). GC= 0,0092 x VSP x 12 0,0092 x 104742,7467 x 12 22,4 22,4 =516,232 (kg/h) Tû lƯ gi÷a oxy kü thuËt vµ khÝ tù nhiªn: = 0,508 B¶ng5: Thµnh phÇn khÝ oxy kü thuËt CÊu tư V(m3/h) % thĨ tÝch O2 31653,258 98 N2 645,984 2 B¶ng 6: Thµnh phÇn khÝ tù nhiªn CÊu tư V(m3/h) % thĨ tÝch CH4 52811,2928 97,5 C2H6 418,969 0,77 C3H8 628,163 1,975 N2 398,022 0,73 Tỉng 54256,447 100 B¶ng 7: B¶ng c©n b»ng vËt chÊt trong thiÕt bÞ ph¶n øng CÊu tư V(m3/h) kg/h CÊu tư V(m3/h) kg/h KhÝ tù nhiªn C2H2 8725,017 10215,313 CH4 52811,2928 37849,853 C2H4 410,519 517,920 C2H6 418,969 582,488 H2 58509,3 5254,135 C3H8 628,163 1233,712 CH4 4105,915 2942,709 N2 398,022 497,806 CO 26175,213 32721,634 Oxy kü thuËt CO2 3079,436 6087,43 O2 31653,258 45229,34 N2 1026,4789 1283,817 N2 645,984 807,932 C3H8 615,887 1099,769 MÊt m¸t khÝ 2094,854 H2O 30312,55 24359,165 C 516,232 Tỉng 86555,6888 86447,131 Tỉng 86554,737 86446,155 Ch­¬ng II: TÝnh c©n b»ng nhiƯt l­ỵng. Nh­ ta ®· tÝnh ë tr­íc tû lƯ oxy kü thuËt vµ khÝ tù nhiªn lµ: Nh­ vËy cĩ 100m3 khÝ tù nhiªn cÇn 50,8 m3 khÝ oxy kü thuËt. §Ĩ cho qu¸ tr×nh c©n b»ng nhiƯt l­ỵng ®­ỵc ®¬n gi¶n ta tÝnh c©n b»ng nhiƯt l­ỵng cho 100m3 khÝ tù nhiªn. 1.TÝnh nhiƯt dung riªng cđa Oxy kü thuËt. NhiƯt dung riªng cđa oxy ë 6000C(873K), ta cã b¶ng nhiƯt dung: B¶ng 8 : C¸c hƯ sè cđa ph­¬ng tr×nh nhiƯt dung ®¼ng ¸p. CÊu tư CP(298K) HƯ sè ph­¬ng tr×nh CP = j(T) a0 a1´ 10-3 a-2´ 105 a2´ 103 CH4 8,536 6,73 10,2 - 1,118 - C2H4 12,585 3,89 29,6 - - C3H8 17,57 0,41 64,71 - 22,582 O2 7,02 7,52 0,81 - 0,9 - N2 6,96 6,66 1,02 - - Ta cã ph­¬ng tr×nh tÝnh CP: CP = a0 + a1.T + a2.T2 + a-2.T-2 Thay c¸c hƯ sè tõ b¶ng trªn vµo ph­¬ng tr×nh víi T = 873K, ta ®­ỵc: CPO2 =7,52 + 873.0,8.10-3 – 0,9.105.(873)-2 = 8,11 (kcal/kmol.®é) = 0,362 (kcal/m3.®é) NhiƯt dung riªng cđa N2 ë 6000C (873K): CPN2 = 6,66 + 1,02.10-3T. Thay T=873K ,ta cã: CPN2 = 7,55046 (kcal/kmol.®é) =0,337 (kcal/m3.®é) NhiƯt dung riªng cđa oxy kü thuËt x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: CP = S XiCi Trong ®ã Xi, Ci lµ phÇn tr¨m thĨ tÝch vµ nhiƯt dung riªng cđa oxy kü thuËt cÊu tư i . Ta ®­ỵc: CP (O2 KT) = 0,98.0,362 + 0,02. 0,337 = 0,35476 + 0,00665 = 0,36141 kcal/m3.®é. 2.NhiƯt dung riªng cđa khÝ tù nhiªn ®i vµo ë 6000C: NhiƯt dung riªng cđa c¸c cÊu tư: Cđa CH4: CPCH4 = 6,73 + 10,2.10-3.T – 1,118.105.T-2 Cđa C2H6: CPC2H6 = 3,89 + 29,6.10-3T Cđa C3H8 CPC3H8 = 0,41 + 64,71.10-3.T Thay T= 873 K vµo , ta cã: CPCH4 = 15,49 (kcal/kmol.®é) = 0,69 (kcal/m3.®é) CPC2H4 = 29,73 (kcal/kmol.®é) = 1,327 (kcal/m3.®é) CPC3H8 = 56,9 (kcal/kmol.®é) = 2,54 (kcal/m3.®é) NhiƯt dung riªng CP cđa khÝ tù nhiªn lµ: CP = S XiCi Thay c¸c gi¸ trÞ Xi , Ci t­¬ng øng vµo ta cã: CPKTN = 0,975 ´ 0,69 + 0,0077 ´ 1,33 + 0,01975 ´ 2,54 + 0,0074 ´ 0,337 = 0,67275 + 0,01024 + 0,04445 + 0,00249 = 0,7299 (kcal/m3.®é) Tõ ®©y ta tÝnh ®­ỵc nhiƯt l­ỵng do khÝ tù nhiªn vµ oxy kü thuËt mang vµo lµ: Q = V. CP.T Trong ®ã: Q: lµ nhƯt l­ỵng do khÝ mang vµo (kcal) V: lµ thĨ tÝch khÝ mang vµo (m3) T: lµ nhiƯt ®é khÝ mang vµo (K) *L­ỵng nhiƯt do oxy kü thuËt mang vµo : Q1 = V..T Víi 100m3 khÝ tù nhiªn cÇn 59,5 m3 khÝ oxy kü thuËt. T¹i 6000C (873K) th× 59,5 m3 khÝ tù nhiªn cã thĨ tÝch: m3 Thay gi¸ trÞ V,, T vµo biĨu thøc ta cã: Q1 = 190,269 ´ 0,36141 ´ 873 = 60032,022 (kcal) L­ỵng nhiƯt do khÝ tù nhiªn mang vµo Q2 lµ: Víi thĨ tÝch khÝ tù nhiªn lµ 100m3 ë ®ktc suy ra thĨ tÝch khÝ ë 873K lµ: ( m3) Thay c¸c gi¸ trÞ vµo ta ®­ỵc : Q2 = 319,78 ´ 0,7299 ´ 873 = 203764,679 (kcal) 3.HiƯu øng nhiƯt cđa ph¶n øng: Ta cã: Q3 = S Qic - S Qid Trong ®ã : Qic: lµ nhiƯt sinh cđa cÊu tư i sau qu¸ tr×nh nhiƯt ph©n(kcal/m3) Qid : lµ nhiƯt sinh cđa cÊu tư i tham gia qu¸ tr×nh nhiƯt ph©n (kcal/m3) Cø 31879,32 m3 khÝ tù nhiªn thu ®­ỵc 65987,93 m3 khÝ s¶n phÈm vµ 14986,64 m3 h¬i n­íc. VËy cø 100m3 khÝ tù nhiªn sinh ra : ( m3) khÝ s¶n phÈm. (m3 )h¬i n­íc VËy ta cã thĨ tÝnh nhiƯt sinh tỉng cđa c¸c chÊt t¹o thµnh dùa vµo b¶ng sau: B¶ng 9: NhiƯt sinh cđa c¸c cÊu tư CÊu tư NhiƯt sinh (kcal/m3) CH4 798,6 C2H6 903,39 C3H8 118 C2H2 -2419 C2H4 -558 C3H4 -2050 CO2 4200 CO 1180 H¬i n­íc 2580 NhiƯt sinh tỉng céng cđa chÊt t¹o thµnh Q4: Q4 = 189,19 x [0,085 x (-2419) + 0,004 x (-58) + 0,555.1180 + 0,03x 4200] + 5586 x 2580 = 185563,44 (kcal) NhiƯt ch¸y tỉng céng cđa hçn hỵp khÝ tham gia ph¶n øng : Q5 = Vi .Qi Víi Qi, Vi lµ nhiƯt sinh vµ thĨ tÝch cđa c¸c cÊu tư t­¬ng øng trong hçn hỵp khÝ tham gia ph¶n øng: Q5 = 97,34 x 798,6 + 0,77 x 903,39 + 1,1175 x 1180 = 79800,13 ( kcal) Khi ®ã nhiƯt cđa ph¶n øng Q3 lµ: Q3 = Q4 – Q5 = 185563,44 – 79800,13 = 105763,31 (kcal) MÊt m¸t nhiƯt sinh ra m«i tr­êng xung quanh lµ 5% tỉng nhƯt mang vµo : Qmm = 0,05 x ( Q1 + Q2 + Q) = 0,05 x ( 60032,022 + 203764,679 + 105763,31) = 16478,00 (kcal). GØa sư khÝ tho¸t ra khái qu¸ trinh t«i kh«ng cßn h¬i n­íc, ta tÝnh nhiƯt do khÝ nhƯt ph©n ra khái qua tr×nh t«i. 4.TÝnh nhiƯt dung riªng cđa khÝ nhiƯt ph©n ra ë 800C. B¶ng 10: NhiƯt dung riªng cđa mét cÊu tư CÊu tư CP( 298K) HƯ sè ph­¬ng tr×nh CP = j (T) a0 a1.10-3 a-2.10-5 a2.103 C2H2 10,5 12,05 4,25 -2,52 - C2H4 10,41 11,5 11,25 -3,87 - CO2 14,51 10,55 2,16 - 2,04 - CO 6,965 3,342 1,836 - - CH4 8,536 6,73 10,2 - 1,118 0,48 H2 8,537 6,95 - 0,2 - - O2 6,89 7,52 0,18 - 0,9 - N2 7,02 6,66 1,02 - - C3H4 14,1 3,62 36,17 - - 4.1.NhiƯt dung riªng cđa c¸c cÊu tư t­¬ng øng trong hçn hỵp khÝ nhiƯt ph©n Ta cã: = 6,95 – 0,2.10-3 .T + 0,48.105.T-2 = 3,62 + 36,17.10-3T Thay gi¸ trÞ T=353K vµo c¸c ph­¬ng tr×nh trªn ta cã: =12,65 (kcal/mol.®é) = 11,92 (kcal/mol.®é) = 6,99 (kcal/mol.®é) = 16,39 (kcal/mol.®é) =7,02 (kcal/mol.®é) =7,02 (kcal/mol.®é) =9,67 (kcal/mol.®é) =9,42 (kcal/mol.®é) *¸p dơng c«ng thøc CP =S Xi.Ci ®Ĩ t×m nhiƯt dung riªng cđa hçn hỵp khÝ nhiƯt ph©n. Ta cã: CP = 7,74 kcal/kmol.®é » 0,3457 kcal/m3.®é. Trong 100m3 khÝ tù nhiªn thu ®­ỵc 189,19 m3 khÝ s¶n phÈm ë ®iỊu kiƯn tiªu chuÈn chuyĨn vỊ ®iỊu kiƯn ë 800C ta ®­ỵc: CSP = 244,63 m3 Khi ®ã nhiƯt mang vµo sÏ lµ : Q6 Q6 = V.CP.T + QH2O + Qmuéi TÝnh Qmuéi: Theo b¶ng (6) th× cø 54256,447 m3 khÝ tù nhiªn sinh ra 516,728(kg) muéi. VËy 100m3 khÝ tù nhiªn sinh ra : (kg muéi) Tõ ®©y ta tÝnh ®­ỵc Qmuéi: Qmuéi = (kcal) TÝnh QH2O Ta biÕt ë 800C n­íc cã nhiƯt dung riªng lµ 1,0029(kcal/kg.®é) Theo b¶ng (6) vµ (7) ta cãcø 54256,447 khÝ tù nhiªn sinh ra 24359,165 (kg) n­íc. VËy cø 100 m3 khÝ tù nhiªn sÏ sinh ra : ( kg H2O) Suy ra: QH2O =44,896 .1,0029.353 =15894,372(kcal) VËy nhiƯt mang vµo lµ Q6: Q6 = 224,63.353.0,347 +198,16 + 15894,372 =43607,685(kcal) 4.2.TÝnh l­ỵng nhiƯt cÇn lÊy trong qu¸ tr×nh t«i Q7: Ta cã: Q7 = Qra- Q6 = 351080,936 – 43607,685 =307473,251(kcal ) Ta ®­a n­íc vµo ë 300C sau ®ã t«i lªn ®Õn 800C th× n­íc mang mét l­ỵng nhiƯt vµo ë 400C lµ Q8. -Ta ®· biÕt ë 200C th× n­íc cã nhiƯt dung riªng lµ 0,998kcal/kg.®é. Khi ®ã: Q8 = GH2O .0.998(273 +40) = 312,37.GH2O Khi ë 800C nhiƯt dung riªng cđa n­íc lµ 1,0029 kcal/kg.®é NhiƯt l­ỵng Q8’ MANG RA Lµ : Q8’ = GH2O.1,0029.(273+ 80) =354,02.GH2O Nh­ vËy c©n b»ng nhiƯt l­ỵng lÊy theo khèi ph¶n øng lµ: Q7 = Q8 – Q8’ Hay: 25129,685 = (354,02 – 312,37).GH2O Suy ra: GH2O = 603,353(kg/h) *KhÝ sau khi qua qu¸ tr×nh t«i chuyĨn sang lµm l¹nh vµ t¸ch muéi cacbon, qu¸ tr×nh t¸ch nµy gåm 3 giai ®o¹n: Lµm l¹nh vµ t¸ch muéi s¬ bé T =550C Lµm l¹nh vµ t¸ch muéi b»ng läc ®iƯn T = 500C Lµm l¹nh vµ t¸ch muéi ë T= 300C. Qĩa tr×nh 1 vµ 3 diƠn ra cïng mét th¸p, cßn qu¸ tr×nh 2 diƠn ra ë thiÕt bÞ riªng . N­íc cđa giai ®o¹n 3 xuèng giai ®o¹n 1 *TÝnh nhiƯt mang ra ë giai ®o¹n mét:Q9 +) TÝnh nhiƯt dung riªng cđa hçn hỵp khÝ nhƯt ph©n ë 500C. T­¬ng tù ta thay T= 328 K vµo biĨu thøc CP cđa c¸c cÊu tư khÝ ta ®­ỵc: = 12,4 =11,23 =6,94 = 15,48 =6,99 = 7,02 = 9,36 = 9,04 Ta cã: CP(550C) = S Xi.Ci Thay c¸c gi¸ trÞ vµo ta cã ®­ỵc: CP (550C) = 0,085 x 12,4 + 0,004 x 11,23 + 0,255 x 6,94 + 0,006 x 15,48 + 0,01 x 6,99 + 0,57 x 7,02 + 0,03 x 9,36 + 0,04 x 9,04 = 7,375 (kcal/kmol.®é) hay GP(550C) » 0,34 (kcal/kmol.®é) KhÝ ra khái giai ®o¹n 1 vµo giai ®o¹n 2 cã thĨ tÝch V = 189,19m3 khÝ tù nhiªn ë ®iỊu kiƯn tiªu chuÈn chuyĨn vỊ ®iỊu kiƯn T= 550C. Ta ®­ỵc : V = 238,12 m3 Nh­ vËy l­ỵng nhiƯt mang ra khái giai ®o¹n 1 vµ giai ®o¹nh 2 lµ Q9: Q9 = 238,12 x 0,34 x (273 + 55) = 26556,14 (kcal) *TÝnh l­ỵng nhiƯt do khÝ nhiƯt ph©n mang ra khái giai ®o¹n 2: +) TÝnh nhiƯt dung riªng cđa hçn hỵp khÝ ë 500C . t­¬ng tù ,ta thay gi¸ trÞ T= 323K vµo CP ta cã: = 12,4 (kcal/kmol.®é) = 12,35 (kcal/kmol.®é) = 10,97 (kcal/kmol.®é) = 6,94 (kcal/kmol.®é) = 15,3 (kcal/kmol.®é) =6,99 (kcal/kmol.®é) = 7,01 (kcal/kmol.®é) = 8,95 (kcal/kmol.®é) Thay c¸c gi¸ trÞ vµo c«ng thøuc tÝnh CP ta cã: CP (500C ) = 0,085 x 12,4 + 0,004 x 12,35 + 0,255 x 10,97 + 0,006 x 6,94 + 0,01 x 15,3 + 0,03 x 7,01 + 0,57 x 6,99 + 0,04 x 8,95 = 1,054 + 0,0494 + 2,797 + 0,0416 + 0,153 + 0,21 + 3,98 + 0,39 = 8,665 (kcal/kmol.®é) hay GP(500C) = 0,3868 (kcal/m.®é) KhÝ ra giai ®o¹n 2 vµo giai ®o¹n 3 lµ Q10 Víi V= (m3) VËy Q10 = 223,84 x 0,34 x 303 = 23059,99 (lcal) NhiƯt mang ra ë giai ®o¹n 3 . T­¬ng tù ta thay T= 303K vµo ph­¬ng tr×nh tÝnh CP ta ®­ỵc : = 12,12 (kcal/kmol.®é) = 10,69 (kcal/kmol.®é) = 6,9 (kcal/kmol.®é) =14,5 8 (kcal/kmol.®é) =6,89 (kcal/kmol.®é) =6,89 (kcal/kmol.®é) =8,99 (kcal/kmol.®é) = 8,6 (kcal/kmol.®é) VËy CP cđa hçn hỵp khÝ nhiƯt ph©n ë 300C lµ: CP(300C) = S Xi .Ci = 8,66 kcal/kmol.®é) = 0,3868 kcal/m3.®é KhÝ ra khái giai ®o¹n 2 vµo giai ®o¹n 3 lµ Q11: Q11 = 209,98 x 0,34 x 303 = 21632,1396 (kcal) *Tõ c¸c sè liƯu trªn ta suy ra ®­ỵc: L­ỵng nhiƯt cÇn lÊy ë giai ®o¹n 1 QI = Q6 – Q9 = 43607,685 – 26556,14 = 17051,545(kcal) L­ỵng nhiƯt cÇn lÊy ë giai ®o¹n 2 QII = Q9 – Q10 = 26556,14 – 23059,99 = 3496,15 (kcal) L­ỵng nhiƯt cÇn lÊy ë giai ®o¹n 3 : QIII = Q10 – Q11 = 23059,99 – 21632,1396 = 1427,85 (kcal) NhiƯt dung riªng cđa n­íc lµm l¹nh lµ: CP = 1,004 kcal/kg ®é. ë ®©y n­íc ë giai ®o¹n hai t¨ng lªn t = 300C N­íc ë gi©i ®o¹n ba t¨ng lªn t = 330C N­íc ë giai ®o¹n bèn t¨ng lªn t = 350C NhiƯt cđa 1kg n­íc ë giai ®o¹n 3 thu ®­ỵc: q3 = 1,004 x DT n­íc lµm l¹nh ®i vµo cã T= 250C ,nªn ta cã: DT = 35-25 = 100C vµ q3 = 1,004 x 10 = 10,04 (kcal/kg) VËy l­ỵng n­íc cÇn thiÕt cho giai ®o¹n 3 lµ : m3 = (kg) ·NhiƯt l­ỵng 1kg n­íc ë giai ®o¹n 2 thu ®­ỵc lµ: q2 = 1,004 (30 – 25) = 5,02 kcal/kg VËy l­ỵng n­íc cÇn thiÕt cho giai ®o¹n 2 lµ: m2 = (kg) Do n­íc ë giai ®o¹n 3 sÏ ch¶y xuèng giai ®o¹n 1 nªn l­ỵng n­íc ë giai ®o¹n 3 s· lÊy ®i mét phÇn cđa giai ®o¹n 1. Ta cã t t¨ng tõ 330C §ÕN 350c VËy nhiƯt l­ỵng do 1kg n­íc mang ®i lµ : q= 1,004 x 2 = 2,008 (kcal/kg) VËy nhiƯt do giai ®o¹n 3 lÊy ®i tõ giai ®o¹n 1 lµ: 2,008 x 142,217 = 265,571 (kcal) ·NhiƯt l­ỵng do 1 kg n­íc ë giai ®ậan 1 thu vµo lµ: q1 = 1,004 .DT Víi nhiƯt ®é t¨ng tõ 250C lªn ®Õn 350C nªn : DT = 35- 25 = 100C suy ra : q1 1,004 .10 = 10,04 L­ỵng n­íc cÇn thiÕt cho giai ®o¹n nµy lµ: m1 = (kg) Nh­ vËy tõ c¸c sè liƯu trªn ta cã b¶ng c©n b»ng nhiƯt l­ỵng víi 100m3 khÝ tù nhhiªn ë ®iỊu kiƯn tiªu chuÈn vµo qu¸ tr×nh nhiƯt ph©n. B¶ng 11: C©n b»ng nhiƯt l­ỵng cho giai ®o¹n nhiƯt ph©n NhiƯt vµo Kcal/mol NhiƯt ra Kcal/mol O2 KT, Q1 60032,002 Qra 35180,936 KTN,Q2 203764,679 Qmm 18478,00 NhiƯt ph¶n øng 105763,31 Tỉng vµo 369560,011 Tỉng ra 639561,963 VËy ta cã b¶ng c©n b»ng nhiƯt l­ỵng tỉng céng B¶ng 12 : B¶ng c©n b»ng nhiƯt l­ỵng tỉng céng NhiƯt vµo Kcal/mol NhiƯt ra Kcal/mol Q1 60032,002 Qra 21632,1396 Q2 203764,679 Q7 307473,251 Q3 105763,31 QI+QII+QIII 21975,545 Qmm 18478,00 Tỉng vµo 369559,991 Tỉng ra 369559,935 Ch­¬ng III. TÝnh to¸n thiÕt bÞ chÝnh Víi c«ng suÊt lµ 70.000 tÊn/n¨m. Ta cÇn chia l­ỵng khÝ thµnh ba phÇn víi ba d©y chuyỊn s¶n xuÊt gièng nhau ch¹y song song víi nhau. I. TÝnh thiÕt bÞ ph¶n øng chÝnh 1. TÝnh ®­êng kÝnh vµ sè èng ph©n phèi khÝ. ThĨ tÝch khÝ nguyªn liƯu ta cã tõ b¶ng (7) lµ : 86.555,6889 (m3/h). Chia lµ 3 phÇn nh­ nhau: (m3/h). §©y lµ ë ®iỊu kiƯn tiªu chuÈn ta cÇn chuyĨn vỊ ë ®iỊu kiƯn 6000C. (m3/h). a. DiƯn tÝch mỈt tho¸ng: V× èng kh¸ nhá mµ dßng khÝ khuÕch t¸n tèt nªn vËn tèc dßng khÝ lµ V = 26 ¸ 30 (m/s) Ta chän vËn tèc dßng khÝ lµ 28 (m/s) Ftho¸ng = (m2) * Ta lÊy diƯn tÝch mỈt tho¸ng lµ 80% diƯn tÝch mỈt c¾t c¸c èng vËy diƯn tÝch mỈt c¾t sÏ lµ: (m2) Ta chän ®­êng kÝnh èng ph©n phèi khÝ lµ 40x3(mm) VËy suy ra Víi n lµ sè èng cÇn cã theo lý thuyÕt. Suy ra: (èng) Chän n = 911 (èng) * Chän c¸ch s¾p xÕp lơc gi¸c ®Ịu ta cã: n=3a(a-1)+1 Trong ®ã: a: lµ sè vßng * Thay gi¸ trÞ vµo ta ®­ỵc. 911 = 3a(a-1)+1 Û 910 = 3a(a-1) Ta tÝnh ®­ỵc a = 17,93 chän a = 19 (vßng) * §­êng kÝnh cđa hƯ thèng ph©n phèi èng tÝnh theo c«ng thøc. D = t(b-1) + 4xd (m) (1) b =2a-1 = 2x19 - 1 = 37 (2) t = (1,2¸1,5)d (3) chän t = 1,2.0,04 = 0,048 D = 0,048(37-1)+4.0,04 = 1,278 + 0,16 = 1,88 (m) VËy theo tiªu chuÈn chän : D = 1,9 (m) * TÝnh thĨ tÝch vïng ph¶n øng: Vp­. §Ĩ tr¸nh sù ph©n hủ cđa s¶n phÈm nªn thêi gian l­u trong vïng ph¶n øng lµ T = 0,025 s Ta cã l­ỵng s¶n phÈm (B¶ng 4) m3/h (§KTC) ChuyĨn vỊ ®iỊu kiƯn nhiƯt ®é T = 1.5000C (m3/h) = 61,727 (m3/s) Ta cã: Vp­ = V.t ë ®©y ta chän thêi gian t = 0,02s Suy ra Vp­ = 61,272x0,02 = 1,2345 (m3) Ta ®· tÝnh ®­ỵc ®­êng kÝnh cđa hƯ thèng ph©n phèi khÝ lµ D = 1,9 m hay r = 0,95 m. Suy ra chiỊu dµi vßng ph¶n øng lµ: (m) = 435mm. II. TÝnh to¸n c¬ khÝ cho thiÕt bÞ ph¶n øng chÝnh Tõ thµnh phÇn khÝ vµ c¨n cø vµo ph¹m vi sư dơng cđa c¸c lo¹i vËt liƯu chÕ t¹o th¸p lµ thÐp CT3. 1.TÝnh chiỊu dµy th©n thiÕt bÞ. Th©n thiÕt bÞ h×nh trơ b»ng thÐp CT3 lµm viƯc ë ¸p suÊt khÝ quyĨn, cã chiỊu dµy x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: S = [6-360] Trong ®ã: [s] øng suÊt cho thÐp cđa CT3 (N/m2) S: ChiỊu dµy th©n th¸p. Dt: §­êng kÝnh trong cđa thiÕt bÞ (m) j: HƯ sè bỊn cđa thµnh h×nh trơ theo ph­¬ng däc C: HƯ sè bỉ sung Pt: ¸p suÊt trong cđa thiÕt bÞ (N/m2) *. TÝnh j: Do ®é bỊn cđa thiÕt bÞ yÕu ®i chđ yÕu lµ do c¸c mèi hµn. Nªn hƯ sè bỊn hµn cịng cã thĨ coi lµ hƯ sè bỊn cđa mèi hµn jh: Tõ b¶ng XIII – 8[6-362] chän hµn thiÕt bÞ hµn b»ng tay, gi¸p mèi hai bªn sư dơng hå quang ®iƯn: ta cã jh = 0,95 ThiÕt bÞ lµm viƯc ë ¸p suÊt khÝ quyĨn P = 1at = 9,81.104 (N/m) §¹i l­ỵng bỉ sung (C) ¨n mßn, bµi mßn vµ dung sai ©m: C = C1 + C2 + C3 Ta chän vËt liƯu lµ CT3 ®©y lµ vËt liƯu bỊn ta lÊy C1 = 1mm. [6-362] §¹i l­ỵng bỉ sung do hao mßn (C2) do vËt liƯu kh«ng chøa vËt r¾n chuyĨn ®éng nªn C2 = 0) VËy C = 0,001 + C3 *. øng suÊt cho thiÕt bÞ [s] Gäi sk lµ øng suÊt cho thÐp cđa vËt liƯu thÐp CT3 giíi h¹n bỊn tÝnh theo c«ng thøc: [sk] = Trong ®ã: nk: hƯ sè an toµn theo giíi h¹n bỊn h: HƯ sè hiƯu chØnh Do thiÕt bÞ thuéc lo¹i II nhãm II nªn h = 1 nk = 2,6, sk = 380.106 (N/m2) VËy ta cã: [sk] = øng suÊt cho phÐp giíi h¹n bỊn ch¶y cđa thÐp CT3 x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: XIII-2 (6-355) [sk] = (sc/nc).h Trong ®ã: sC: øng suÊt giíi h¹n bỊn ch¶y cđa CT3 Theo b¶ng XII trang (6-309) sC = 240.106(N/m2) nC = 1,5 VËy [sK] = VËy ta cã: S = = 0,00127 +C = 0,00127 + 0,001 +C3 Theo XIII – 9[12-364] ta cã C3 = 0,18 (mm) VËy S = 0,00407 (m) Chän S = 4,1 (mm) 2. TÝnh ®­êng kÝnh èng dÉn: * §­êng kÝnh èng dÉn khÝ tù nhiªn Ta cã VKTN = (®KTC) ChuyĨn vỊ ®iỊu kiƯn 6000C VKTN = 18085,48 x §­êng kÝnh èng dÉn khÝ tÝnh theo c«ng thøc d = Trong ®ã: V: L­u l­ỵng láng (h¬i) ch¶y trong èng (m3/h) w: VËn tèc thÝch hỵp cđa h¬i (láng) ®i trong èng (m3/s) Th­êng w = 10 ¸20 (m/s) Chän w = 15 (m/s) VËy d = Chän d = 2(m) * §­êng kÝnh èng dÉn khÝ oxy V02 = ChuyĨn vỊ 6000C V02 = 10551,086 x VËy ®­êng kÝnh èng dÉn khÝ oxy kü thuËt lµ: d = lÊy 0,9 (m) §­êng kÝnh èng dÉn khÝ nhiƯt ph©n ®i ra VSP = ChuyĨn vỊ ®iỊu kiƯn 800C VSP = 34215,965 x Chän vËn tèc khi ®i ra. V = 8(m/s) Suy ra: d= * TÝnh ®­êng kÝnh ®o¹n tèc cđa thiÕt bÞ Ta chän d = 3,5 (m) * ChiỊu cao cđa ®o¹n tèc lµ: ht = 5,5 (m) * ChiỊu cao cđa ®o¹n khuÕch t¸n lµ: ht = 6,5 (m) Tỉng chiỊu cao cđa th¸p lµ: H = 5,5 + 6,5 = 12 (m) 2. TÝnh thiÕt bÞ lµm l¹nh khi Cracking. KhÝ sau khi Cracking vµ ®­ỵc t«i b»ng n­íc vµ sau ®ã sÏ ®­ỵc ®­a qua thiÕt bÞ lµm l¹nh. Th¸p cã nhiƯm vơ lµm l¹nh cho giai ®o¹n 1 vµ giai ®o¹n 3. KhÝ ë 800C vµ ®­ỵc lµm l¹nh xuèng 550C (giai ®o¹n 1). L­ỵng khÝ ®i vµo: (m3/h) ë ®©y th¸p lµm l¹nh ta dïng th¸p ®Ưm. Ta chän lo¹i ®Ưm vØ gç víi c¸c th«ng sè chän tõ tr­íc. - ChiỊu dÇy thanh ®Ưm a = 0,01 m - BỊ mỈt riªng d = 65 m2/m3. - Kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c thanh ®Ưm b = 0,02 (m) - Khèi l­ỵng riªng xèp dd = 145 (kg/m3) 2.1 TÝnh ®­êng kÝnh th¸p. §­êng kÝnh th¸p x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau: (I) Trong ®ã: DT: §­êng kÝnh cđa th¸p SCH: TiÕt diƯn chung cđa ®Ưm (m2) * C«ng thøc tÝnh vËn tèc tíi h¹n cđa khÝ ra: (II) hay (III) Trong ®ã: m : §é nhít cđa khÝ ra dt® : §­êng kÝnh t­¬ng ®­¬ng cđa ®Ưm (m) r: MËt ®é cđa khÝ (kg/m3) * C«ng thøc tÝnh ®é nhít ë (550C) cđa khÝ ra (IV) Trong ®ã: mT: §é nhít ë nhiƯt ®é T = (550C) m0: §é nhít ë nhiƯt ®é T = (00C) c: H»ng sè phơ thuéc cđa tõng khÝ. Víi: c vµ m0 tra b¶ng B¶ng 13. §é nhít c¸c cÊu tư Thay c¸c gi¸ trÞ vµo ta cã ®é nhít cđa c¸c cÊu tư lµ: CÊu tư m.10-7(Ns/m2) C2H2 113,93 C2H4 116,93 CH4 112,1 CO2 163,38 CO 190,95 C3H4 94,53 H2 96,59 N2 189,63 ¸p dơng c«ng thøc: (V) Trong ®ã: mhh: Khèi l­ỵng ph©n tư trung b×nh cđa khÝ mhh55: §é nhít cđa khÝ ë 550C mi: Thµnh phÇn mol cÊu tư thø i Mi: Khèi l­ỵng mol mi: §é nhít cđa c¸c cÊu tư t¹i 550C Ta cã b¶ng khèi l­ỵng mol cđa c¸c cÊu tư: B¶ng 14: Khèi l­ỵng c¸c cÊu tư. CÊu tư Mi(kg/kmol) C2H2 26,23 C2H4 28,25 CH4 16,05 CO2 44,28 CO 28 C3H4 40 H2 2,01 N2 28 §é nhít cđa hçn hỵp khÝ khèi l­ỵng riªng trung b×nh cđa hçn hỵp khÝ. Mhh = mi. Mi = 0,085.26,32 + 0,004.28,25 + 0,57.2 + 0,04.16,05 + 0,255.28 + 0,03.44,28 + 0,01.28 + 0,006.40 = 1,5265 + 0,113 + 1,14 + 0,642 + 7,14 + 1,328 + 0,28 + 0,24 = 12,409 (kg/kmol) Thay c¸c gi¸ trÞ Mhh, mi55, Mi vµo ph­¬ng tr×nh (V). * TÝnh dt® = 2xb = 2x0,02 =0,04(m) * TÝnh mËt ®é cđa khÝ ra Tõ ph­¬ng tr×nh tr¹ng th¸i. víi Ta suy ra Hay Ta tÝnh r0 tõ b¶ng (1) ta cã: r0 = 0,085.1,1708 + 0,004.1,264 + 0,57.0,898 + 0,04.0,76 +0,255.1,2501 +0,03.19768+0,01.1,25+0,006.1,7857 =0,6028 (kg/m3) Thay c¸c gi¸ trÞ nµy vµo ph­¬ng tr×nh (II) ta ®­ỵc: (m/s) * BỊ mỈt ­ít cÇn thiÕt cđa ®Ưm: * DiƯn tÝch chung cđa ®Ưm Sch. VËy ®­êng kÝnh cđa th¸p lµ: (m) Chän D = 3,5 (m) 2.2 TÝnh chiỊu cao cđa ®o¹n th¸p Kho¶ng c¸ch phÇn d­íi tíi ®¸y lµ 1,6 (m) Kho¶ng c¸ch cho phÐp ë ®Ønh th¸p 0,5 (m) ChiỊu cao cđa ®¸y elÝp lµ 0,9 (m) Sè vßng ®Ưm chän 8 (vßng) VËy: H = 1,6+0,9+0,5+0,1x1,9 = 3,19 (m) * Víi ®o¹n trªn ta chän nh­ vËy VËy chiỊu cao cđa th¸p lµ HTh = 3,9x2 = 7,8 (m) 3. TÝnh th¸p hÊp thơ. Chän th¸p hÊp thơ lo¹i ®Ưm vßng b»ng sø cã c¸c th«ng sè sau: §Ưm cã kÝch th­íc 35x35x4 (mm) BỊ mỈt riªng cđa ®Ưm rd = 135 (m2/m3) ThĨ tÝch tù do Vd = 0,78 (m3/m3) * X¸c ®Þnh vËn tèc dßng khÝ ®i trong th¸p. - VËn tèc cđa khÝ ®i trong th¸p x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: Y = 1,2.C-4x (IV) Víi (VII) (VIII) Trong ®ã: w: VËn tèc sỈc (m/s) s: BỊ mỈt riªng cđa ®Ưm (m2/m3) g: Gia tèc träng tr­êng (m2/s) Gx,Gy : L­u l­ỵng láng, khÝ trung b×nh (kg/s) rtbk; rtbl: Khèi l­ỵng riªng trung b×nh cđa khÝ vµ láng mx, mn: §é nhít (Ns/m2) VËn tèc lµm viƯc wLV = (0,8¸0,9)ws (m/s) C¸c th«ng sè cđa th¸p Vµo: t = 450C P = 10atm Khèi l­ỵng riªng cđa dung m«i (2%H20 - 980 NMP) NMP: N-metylpyrodon rNMP = 1025,1 (kg/m3) rH20 = 1000 (kg/m3) ë phÇn tr­íc tÝnh ®­ỵc Vdm = 698,285x1025,1 = 715811,95 (kg/h) V× chia lµm ba d©y chuyỊn nªn (kg/h) Tõ b¶ng (4) ta cã l­u l­ỵng dßng khÝ ®i vµo (kg/h) KhÝ ra ë nhiƯt ®é 500C khèi l­ỵng riªng cđa khÝ vµo tõ b¶ng 14 ta cã: rv = åxi.ri = 0,5857 (kg/m3) Khèi l­ỵng riªng cđa khÝ ra rr = åxi.ri = 0,5212 (kg/m3) Khèi l­ỵng riªng trung b×nh cđa khÝ ë ®iỊu kiƯn tiªu chuÈn (kg/m3) L­u l­ỵng trung b×nh cđa khÝ (kg/h) * §é nhít cđa chÊt láng mx. ta cã: Trong ®ã: m: §é nhít cđa chÊt láng h÷u c¬ D: Khèi l­ỵng riªng t­¬ng ®èi cđa chÊt láng D = M: Khèi l­ỵng ph©n tư (kg/kmol) M = 114 (kg/kmol) K: H»ng sè phơ thuéc vµo cÊu trĩc K = åA.n + åp = 318 Víi A: Sè nguyªn tư cïng tªn n: TrÞ sè cđa h»ng sè nguyªn tư p : HiƯu sè hiƯu chØnh p = -24 Thay vµo ta tÝnh ®­ỵc : * Thay c¸c gi¸ trÞ trªn vµo c«ng thøc (VII) ta tÝnh ®­ỵc Y = 0,0204 w2. Thay x vµ y vµo (VI) ta tÝnh ®­ỵc 0,0204 w2s = 1,2xC-4x0,439. VËy ws » 1,75 (m/s) Chän vËn tèc lµm viƯc 0,8. ws = 1,4 (m/s) * §­êng kÝnh th¸p x¸c ®Þnh theo c«ng thøc (m) Chän D = 3(m) 4. ChiỊu cao cđa th¸p §èi víi th¸p ®Ưm. Trong ®ã: Vd: ThĨ tÝch tù do cđa ®Ưm V = 0,78 (m3/m3) d: BỊ mỈt riªng cđa ®Ưm. (m2/m3) d = 135 (m2/m3) w : VËn tèc pha khÝ trong th¸p (m/s) w = 1,4 (m/s) Tõ ®©y ta cã: (m) Sè ®Üa thùc tÕ chän 15 ®Üa chän lµm 3 ®o¹n, mçi ®o¹n 5 ®Üa. Khi ®ã: Kho¶ng c¸ch tíi ®¸y vµ th¸p 3,7m ChiỊu cao cđa mét ®o¹n ®Ưm lµ 1 m VËy chiỊu cao cđa th¸p : H = 0,9 x3 + 1 x 2 + 3,7 + 0,36 = 8,76 (m) PHẦN I: MỞ ĐẦU 1 PHẦN II :TỔNG QUAN CHƯƠNG I: TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ HÓA HỌC CỦA AXETYLEN 4 I . Giới thiệu. Axetylen lµ hydrocacbon cã mét liªn kÕt 3 ®¬n II. Tính chất vật lý. 6 III. Tính chất hóa học. 11 III.1. Các phản ứng quan trọng trong công nghiệp 12 Ch­¬ng II. C¸c tÝnh chÊt cđa nguyªn liƯu 24 1. Canxi cacbua. 24 2.Nguyªn liƯu lµ hydrocacbon . 27 Ch­¬ng III: øng dơng cđa axetylen 30 PhÇn II: C¸c ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt 32 Ch­¬ng I: C«ng gnhƯ s¶n xuÊt Axetylen tõ than ®¸ vµ cacbua can xi. 32 1. ThiÕt bÞ lo¹i ­ít. 34 2. ThiÕt bÞ lo¹i kh«. 35 3. Ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt Axetylen trùc tiÕp tõ than ®¸. 38 Ch­¬ngII. S¶n xuÊt Axetylen tõ khÝ thiªn nhiªn. 41 1. S¬ l­ỵc vỊ nguyªn liƯu khÝ thiªn nhiªn. 41 2. C¬ së nhiƯt ®éng häc cđa qu¸ tr×nh nhiƯt ph©n hydrocacbon. 44 3. C¬ chÕ cđa qu¸ tr×nh. 47 4. §éng häc qu¸ tr×nh nhiƯt ph©n c¸c hydrocacbon nguyªn liƯu. 48 5. §éng häc t¹o thµnh vµ ph©n hủ axetylen. 51 6. C¸c c«ng nghƯ s¶n xuÊt axetylen. 55 7.Ph­¬ng ph¸p t¸ch axetylen ra khái hçn hỵp khÝ nhiƯt ph©n. KhÝ sau CH¦¥NG III. So s¸nh c¸c c«ng nghƯ s¶n xuÊt vµ chän s¬ ®å c«ng nghƯ s¶n xuÊt. 69 PhÇn IV: TÝnh to¸n 73 Ch­¬ng I. TÝnh c©n b»ng vËt chÊt 73 I. TÝnh c©n b»ng vËt chÊt cho qu¸ tr×nh t¸ch Axetylen b»ng dung m«i NMP-H2O. 73 II. TÝnh c©n b»ng vËt chÊt trong thiÕt bÞ ph¶n øng. 82 Ch­¬ng II: TÝnh c©n b»ng nhiƯt l­ỵng. 89 1.TÝnh nhiƯt dung riªng cđa Oxy kü thuËt. 89 2.NhiƯt dung riªng cđa khÝ tù nhiªn ®i vµo ë 6000C: 90 3.HiƯu øng nhiƯt cđa ph¶n øng: 92 4.TÝnh nhiƯt dung riªng cđa khÝ nhiƯt ph©n ra ë 800C. 94 4.1.NhiƯt dung riªng cđa c¸c cÊu tư t­¬ng øng trong hçn hỵp khÝ nhiƯt ph©n 95 4.2.TÝnh l­ỵng nhiƯt cÇn lÊy trong qu¸ tr×nh t«i Q7: 97 Ch­¬ng III. TÝnh to¸n thiÕt bÞ chÝnh 103 I. TÝnh thiÕt bÞ ph¶n øng chÝnh 103 1. TÝnh ®­êng kÝnh vµ sè èng ph©n phèi khÝ. 103 II. TÝnh to¸n c¬ khÝ cho thiÕt bÞ ph¶n øng chÝnh 105 1.TÝnh chiỊu dµy th©n thiÕt bÞ. 106 2. TÝnh ®­êng kÝnh èng dÉn: 107 2. TÝnh thiÕt bÞ lµm l¹nh khi Cracking. 109 2.1 TÝnh ®­êng kÝnh th¸p. 109 2.2 TÝnh chiỊu cao cđa ®o¹n th¸p 112 3. TÝnh th¸p hÊp thơ. 113 4. ChiỊu cao cđa th¸p 115